GPS在导弹制导中的应用

2　设计高动态GPS接收机的关键技术

　　 现以设计高动态GPS接收机过程中用到的技术加以说明。所设计的GPS接收机除了采用近似最大似然估计（MLE）技术估算距离和距离变化率，从而在高动态环境中实现载波跟踪外，还采用了窄带相关器技术、多星技术、载波辅助技术［3］、卡尔曼滤波技术和差分技术来提高定位精度。下文主要分析窄带相关器技术、载波辅助技术和多星技术，其他技术已多有论述，这里不再涉及。

　　传统的GPS接收机在对伪随机码进行延时捕获跟踪时，其迟早相关器都用1个码片的长度作为延迟间隔［4］，但在对C/A码跟踪时采用窄相关间隔（如采用1.0～0.05码片长度）具有明显的优越性，可在出现噪声和多径干扰时减小跟踪误差。因为码相关器中迟早信号中的噪声成分是相关的，在进行迟早处理时两者趋于抵消；由于PDLL鉴相器中的多径信号较少扭曲而导致多径效应减小，从而提高定位精度。实验表明［4］，在C/A码跟踪环路中采用窄间隔相关器（间隔为0.1码片），仅靠伪距求解的实时定位精度可达到＜1 m；载波相位平滑下的码伪距解精度达0.5 m水平。在本课题方案中采用的码片间距是0.5码片而不是通常的1码片间隔。

　　载波辅助技术以两种方式辅助码环跟踪［3］。由于码相率与载波相位率成正比，利用可获得的载频（多普勒频移）控制C/A码的数控振荡器，使之对动态不敏感，从而提高测码伪距的精度；另一方面，当载波相位正确积分时，其变化正比于卫星伪距变化即Δ距离，因此可利用Δ距离来平滑伪距噪声。

　　多星技术即多通道技术。事实上通道数目的增加可获得显著的性能提高［3］，因为不同的卫星数目越多定位精度越高。这主要表现在卫星数目增加一倍时定位噪声可降低3 dB。另外，12通道系统实质上清除了优化选星的烦琐，并为偶然的信号丢失提供了一个简捷的处理方法，12通道系统在冷启动模式下还具有一个最大的优点，即可对卫星信号进行盲搜索。

　　目前我们设计了一种模块式并行12通道高动态GPS接收机，实现框图如图1所示。其基本设计原理是将接收到的GPS射频信号通过前置滤波模块滤除带外干扰，然后在射频前端模块中变频到中频信号，再在信号处理模块中与内部产生的载波及伪随机码相关，恢复基带信号并获得定位解算所需的伪码和载波观测量。该接收机通过采用近似最大似然估算（MLE）方法来估算接收机相对卫星的伪距离和距离变化率，以此满足在高动态环境中对伪码和载波频率的跟踪；通过采用DSP技术设计了满足高动态跟踪所需的跟踪滤波器；在射频前端采用了低噪声放大器来保证GPS接收机在较低信噪比下可靠跟踪卫星信号；通过采用并行12通道模块化设计及提高定位精度的相关技术，使得接收机具有良好的噪声性能和动态性能，并有效地提高了定位精度。该接收机可以较好地在没有惯导辅助的导弹、军用飞机等高动态用户载体上工作。

图1　高动态GPS接收机实现框图

3　GPS在导弹制导方面的应用

　　研究表明，理想的导弹制导系统应满足如下要求［3］：全球覆盖；高的相对精度和绝对精度；对高动态载体具有良好的实时适应能力；能够提供三维位置、三维速度和姿态数据；工作不受外部环境影响；具有抗人为和非人为干扰的能力；不被他方利用；可供我方广大用户使用；能随时、自主地进行故障检测和故障排除；高的可靠性；与现行机载设备的规范要求相符；价格适中，为广大用户所接受等等。目前，导弹制导系统大都采用惯性制导系统（INS），这种系统由于存在误差随时间而积累的固有缺点，所以很难满足高精度、高可靠性等制导系统的要求。研究表明，在影响导弹制导精度的误差因素中，惯导仪表的测量误差是主要误差源［3］。鉴于制导系统的要求以及惯导系统的固有缺陷，目前提高制导系统精度一般有两条途径：采用新的制导系统和完善现有的惯导系统。

3.1　高动态GPS接收机在导弹制导中应用

　　采用新的制导技术是制导领域一直关注的问题，随着GPS这一全球卫星定位系统的建成，基于GPS系统的新型制导系统可以较好地满足导弹制导的诸项要求，用GPS制导系统来替换现有的惯导系统，实现导弹的长距离、高精度制导已引起越来越多的关注。

　　用高动态GPS接收机进行导弹制导需要解决的两个关键问题是：GPS全向天线的研究和基于GPS技术的导弹姿态测量方法研究。这两项研究已有所突破［3］，这里不再赘述。图2是基于高动态GPS接收机的导弹制导系统组成框图。其基本工作原理是：由GPS接收机测量出导弹的实时位置并与存储在程序装置中的预定轨道参数进行比较和计算综合，然后通过姿态控制系统控制弹体运动；而导弹的姿态信息也通过GPS接收机实时监测，并适时控制导弹进行调整，整个制导系统是一个闭环系统，最终将导弹引向目标。

图2　基于高动态GPS接收机的导弹制导系统组成框图